基于農(nóng)業(yè)應(yīng)用的多旋翼無人機(jī)

楊有剛　刁琦林

摘 要 隨著控制技術(shù)的不斷提升，無人機(jī)的可靠性及智能化水平越來越高，農(nóng)業(yè)方面也成了新的方向之一。本設(shè)計(jì)為一款基于農(nóng)業(yè)設(shè)計(jì)的六旋翼中型飛行平臺，可用于農(nóng)藥噴灑，狀態(tài)檢測等工作。

關(guān)鍵詞 無人機(jī) 智能控制 植保應(yīng)用

中圖分類號：V275.1文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

1項(xiàng)目背景及發(fā)展概況

隨著無人機(jī)控制技術(shù)的不斷發(fā)展，無人機(jī)越來越多的出現(xiàn)在大眾的視野，逐漸融入人們生活的各個(gè)領(lǐng)域。隨著飛行系統(tǒng)穩(wěn)定性的提升以及對操控者的技術(shù)要求進(jìn)一步降低。無人機(jī)在農(nóng)業(yè)應(yīng)用方面的優(yōu)勢開始逐漸展現(xiàn)出來。在大面積數(shù)據(jù)監(jiān)測、農(nóng)藥噴灑等方面具有極大的開發(fā)潛力和應(yīng)用空間。

用于農(nóng)業(yè)方面的無人機(jī)又稱為植保無人機(jī)，其主要是用于為農(nóng)業(yè)作物的保護(hù)作業(yè)，此類無人飛行器一般由飛行平臺、飛行控制系統(tǒng)、作業(yè)模塊等部分組成，以人工遙控和飛行控制系統(tǒng)導(dǎo)航控制相結(jié)合的方式完成作業(yè)。可實(shí)現(xiàn)農(nóng)藥噴灑、農(nóng)作物狀態(tài)檢測、物資運(yùn)輸?shù)裙ぷ鳌Ｄ壳皝碇v我國植保無人機(jī)的發(fā)展正處于蓬勃發(fā)展階段。以大疆創(chuàng)新為主的一系列無人機(jī)公司競相開發(fā)出屬于自己的行業(yè)級植保無人機(jī)。以大疆M600為代表的植保無人機(jī)雨后春筍般發(fā)展起來。目前國內(nèi)植保無人機(jī)市場較為廣闊，但無人機(jī)技術(shù)水平和產(chǎn)品性能良莠不齊。看似產(chǎn)品眾多但真正能夠滿足高強(qiáng)度作業(yè)需求的產(chǎn)品缺只有少數(shù)幾家。多數(shù)為打著行業(yè)級的幌子作者玩具級的產(chǎn)品。

2機(jī)械設(shè)計(jì)及硬件選型

本設(shè)計(jì)采用傘狀可折疊六旋翼結(jié)構(gòu)，具有結(jié)構(gòu)簡單，便于攜帶，任務(wù)載荷大，動(dòng)力冗余大，飛行可靠性高等特點(diǎn)。機(jī)體主要結(jié)構(gòu)件使用碳纖維材料加工而成，碳纖維材料具有結(jié)構(gòu)強(qiáng)度大，重量輕等特點(diǎn)，可在保證工件結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的同時(shí)盡可能降低其重量，在飛行器設(shè)計(jì)領(lǐng)域具有及其廣泛的應(yīng)用。機(jī)臂部分采用內(nèi)徑14mm，壁厚2mm的碳纖維管，空心碳纖維管具有結(jié)構(gòu)剛性強(qiáng)，重量輕的特點(diǎn)，機(jī)臂作為飛行器動(dòng)力系統(tǒng)的機(jī)體的連接部分，在實(shí)際飛行過程中承受飛行器全部有效載荷及過載，機(jī)臂結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不足極易導(dǎo)致飛行器在實(shí)際飛行過程中出現(xiàn)機(jī)體共振嚴(yán)重影響飛行安全。為保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度使用碳纖維管來作為機(jī)臂及起落架等受力部件，可大幅簡化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)部分的工作量，降低裝配工藝復(fù)雜度提高可維護(hù)性。有利于進(jìn)一步降低飛行器對使用者的維護(hù)技術(shù)要求，有利于進(jìn)一步推廣。

起落架部分采用自動(dòng)折疊式起落架，在保證其正常功能的同時(shí)解決在飛行過程中任務(wù)載荷和起落架之間的空間沖突問題。可將機(jī)體下方視野空間完全留給任務(wù)模塊。可大幅降低飛行器任務(wù)模塊的通用型，以便于后期的功能拓展及進(jìn)一步升級工作。飛行器軸距1200mm，搭配為動(dòng)力系統(tǒng)采用6010無刷電機(jī)配備2170螺旋槳，最大起飛重量16kg左右，可在6級風(fēng)力等級下穩(wěn)定執(zhí)行飛行任務(wù)。使用大容量6s動(dòng)力電池為飛行器提供能量，可供給飛行器30分鐘作業(yè)需求。作為一款通用飛行平臺，可搭各種任務(wù)模塊來滿足不同的任務(wù)需求。

飛行控制器采用雷迅科技的pixv5飛行控制器，V5 AutoPilot采用了全新的V5 CORE平臺;將飛控核心部分集成于V5 core上，底板可拆卸，只作為對外接口載體，V5 AutoPilot是CUAV基于FMU V5開源硬件全新打造的高性能飛行控制系統(tǒng)。FMU v5開源硬件的特點(diǎn)就是采用比FMU V3更加先進(jìn)的處理器、更大的flash及RAM、更穩(wěn)定可靠的傳感器。V5 AutoPilot是CUAV基于FMU V5開源硬件全新打造的高性能飛行控制系統(tǒng)。FMU v5開源硬件的特點(diǎn)就是采用比FMU V3更加先進(jìn)的處理器、更大的flash及RAM、更穩(wěn)定可靠的傳感器，此飛行控制器可適用于3到8旋翼無人機(jī)，能夠滿足飛行器的智能化控制需求。此飛行控制器具有操作簡單、工作穩(wěn)定可靠、智能化程度高等特點(diǎn)。作為產(chǎn)品級的飛行控制器，操作者只需要進(jìn)行簡單培訓(xùn)，即可擔(dān)任操作手執(zhí)行飛行任務(wù)。

相較于傳統(tǒng)的植保無人機(jī)，本設(shè)計(jì)可最大程度降低飛行器對操作手的依賴，將操作手從單一乏味的飛行中解放出來。在實(shí)際任務(wù)執(zhí)行過程中，操作手可以使用搭配飛行控制器的地面站提前進(jìn)行飛行任務(wù)規(guī)劃，將飛行任務(wù)中的關(guān)鍵參數(shù)信息輸入飛行控制器，利用其智能任務(wù)管理系統(tǒng)根據(jù)不同的任務(wù)需求生成最佳飛行航線并存儲于飛行控制器中。到了任務(wù)的實(shí)際執(zhí)行階段，操作手只需要將飛行器帶到任務(wù)區(qū)并監(jiān)控其工作狀態(tài)即可。機(jī)載傳感器系統(tǒng)及飛行控制系統(tǒng)可保證飛行器安全高效的完成飛行任務(wù)。一般條件下，可實(shí)現(xiàn)飛行器從起飛到任務(wù)執(zhí)行到返航的全自動(dòng)作業(yè)，操作手只需監(jiān)控其工作狀態(tài)即可。最大限度降低操作手的工作強(qiáng)度。可在提高作業(yè)效率的同時(shí)降低人員疲勞程度。

3項(xiàng)目總結(jié)

使用多旋翼無人機(jī)作為作業(yè)載具具有飛行高度低，定位精度高，對起降場地要求低等特點(diǎn)，可深入田間地頭靈活展開植保作業(yè)。可大幅提作業(yè)效率，且飛行器飛行過程中旋翼產(chǎn)生的下降氣流有利于增加噴霧對作物的穿透性，使用藥物利用率得以提高。在作業(yè)過程中，操作者可在安全距離遙控監(jiān)視作業(yè)，有效降低了人員作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)，使得安全性進(jìn)一步提高。此外，與油動(dòng)無人機(jī)相比，電動(dòng)無人機(jī)具有重量輕，折舊率低，作業(yè)人工成本較低、易于保養(yǎng)維護(hù)等優(yōu)勢。本設(shè)計(jì)作為一塊多旋翼無人平臺，具有操控簡單、通用性強(qiáng)等特點(diǎn)，可靈活搭配各種任務(wù)模塊滿足不同用戶群體的作業(yè)需求。且平臺本身具有極大的改進(jìn)潛力和發(fā)展空間。有利于進(jìn)一步的推廣和發(fā)展。

基金項(xiàng)目：項(xiàng)目名稱：大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項(xiàng)目，項(xiàng)目號是201810061153。